[发明专利]堆芯逐棒计算中栅元等效均匀化常数的计算方法及系统

说明书

本发明公开了堆芯逐棒计算中栅元等效均匀化常数的计算方法及系统，涉及核反应堆堆芯设计和反应堆物理计算领域，解决了现有栅元等效均匀化少群常数的存储需求及参数化计算量较大的问题，其技术方案要点是：本发明通过计算与栅元类型相关的均匀化截面，然后根据均匀化截面采用超级均匀化方法计算各栅元超级均匀化因子，由此组成栅元等效均匀化常数，降低堆芯逐棒计算中栅元等效均匀化常数的空间相关性，从而降低了栅元等效均匀化少群常数的存储需求及参数化计算量，为全堆芯逐棒计算实现工程应用提供了重要支撑作用。

技术领域

本发明涉及核反应堆堆芯设计和反应堆物理计算领域，更具体地说，它涉及堆芯逐棒计算中栅元等效均匀化常数的计算方法及系统。

背景技术

压水堆堆芯一般是由数百个燃料组件和围板/反射层等复杂的结构材料组成。每个燃料组件包含有数百个不同类型的栅元，比如燃料棒栅元、可燃毒物棒栅元、水洞栅元等。另一方面，核反应堆堆芯内中子的能量分布在从裂变中子的10MeV到热中子的10^-2eV的宽广范围内。这两方面的因素使得对精细描述的反应堆进行直接计算时计算代价大，计算时间长。受限于计算条件和计算方法的水平，三维全堆芯非均匀一步法计算在反应堆中子学计算中尚无法得到广泛应用。传统反应堆中子学计算一般利用两步法思想来简化计算：首先利用栅格程序在近似的边界条件下对部分堆芯进行二维多群输运计算，通过一次或者多次均匀化处理以等效均匀介质代替精细非均匀介质；其次，对均匀化后的三维全堆芯进行少群低阶输运计算，获得安全分析所需的燃料棒功率密度分布。

在两步法计算中，以组件均匀化理论和粗网节块方法为理论框架的两步法计算方案是目前压水堆工程计算中普遍采用的传统燃料管理数值计算方法。随着科学研究的不断深入、计算条件和对核设计计算精度要求的不断提高，传统的两步法计算方案面临着越来越严峻的挑战。首先，堆芯核设计的目标结果是三维全堆芯内的单棒功率密度分布，但在传统两步法中却先将组件内的所有燃料棒(栅元)通过均匀化技术进行统一考虑，只保证总核反应率和中子泄漏率守恒，无法区分对待每一根燃料棒，然后在全堆芯粗网节块计算之后，采用精细功率分布重构技术，拼凑组件内各个燃料棒的功率密度分布，引入了较大的误差。其次，随着新型核反应堆概念的不断提出、反应堆燃料及堆芯设计的不断革新，新一代压水堆堆芯的非均匀性变强、中子泄漏变强、燃料类型的增加使相邻组件间的中子能谱干涉效应增强等特性使得组件均匀化的传统两步法计算精度越来越无法满足工程计算精度的要求，如小型压水堆、MO_X-UO₂混合装载等情况。

为提高堆芯设计计算精度且满足对新型反应堆堆芯计算的精度要求，全堆芯逐棒计算成为了下一代堆芯数值计算方法的研究热点。全堆芯逐棒计算是基于均匀化理论的改进型两步法计算方案，该计算方案先在全反射边界条件的单组件非均匀一步计算之后进行栅元均匀化计算，得到堆芯用的栅元均匀化常数，再由栅元均匀化的细网代替组件均匀化的粗网，采用多于两群的能群结构、低阶输运计算方法进行堆芯中子学计算。

然而，随着堆芯计算的空间网格由组件均匀化的粗网转变为栅元均匀化的细网，均匀化区域也由光厚介质转变为了光薄介质，堆芯计算在变得更为精确地同时也更为复杂。以现阶段的均匀化方法进行全堆芯逐棒计算时，其少群常数存储量及参数化的计算量是非常巨大的，每个栅元的均匀化截面、扩散系数、不连续因子/超级均匀化因子都是需要存储的。考虑能群数的差异，与组件均匀化方法比较，其存储量及参数化计算量均扩大了上千倍不止。且由于堆芯中各个位置所处环境均有所不同，因此每个燃料栅元的等效均匀化常数理论上而言是各不相同的，其空间相关性很强，在堆芯计算过程中所有栅元的等效均匀化常数均需要存储。因此，如何研究设计一种堆芯逐棒计算中栅元等效均匀化常数的计算方法及系统是我们目前急需解决的问题。

因此需要提出一种降低堆芯逐棒计算栅元等效均匀化常数空间相关性的计算方法来保证堆芯逐棒计算精度的同时降低栅元等效均匀化少群常数的存储需求及参数化计算量。

发明内容